CN114340121A - 一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置及方法。本发明的装置通过薄厚气隙叠加，呈现侧面凸形，可产生三维光子晶体。所述装置包括在一个可以调节氩气和空气比列的反应室中，放入利用玻璃密封，充满液态水所组成的水电极，通过铜环与等离子体发生电源相连接。在两个水电极中间叠加放入三个均为正方形的固体边框，其中三个固体边框几何中心彼此重合，左右两侧固体边框内部切割完全等大的正方形，中间切割形成九个彼此完全等大的小正方形，形成类似九宫格的气隙。三个固体边框依照三明治的方式彼此叠加，在侧面形成凸形槽，一种特制的薄厚气隙被形成。本发明首次实现了叠加形成凸形气隙产生三维等离子体光子晶体。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体应用和光学技术领域，具体地说是一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置及方法。
背景技术
光子晶体又称光子禁带材料，是将两种不同介电常数的介质材料在空间按一定周期(尺寸在光波长量级)排列所形成的一种人造“晶体”结构。近年来，等离子体光子晶体已经作为一种新型的光子晶体，受到国内外学者的广泛关注和研究，并有望被应用于滤波器、光开关、等离子体透镜、等离子体隐身等众多电磁波控制领域。光子晶体的介电常数是空间的周期函数，等离子体光子晶体是由等离子体和其他介电材料交错排列形成的周期性结构。但目前常规的等离子体光子晶体，很难实现在同一条件下调节出具有不同尺寸等离子体的等离子体光子晶体，也无法实现三维等离子体光子晶体。
介质阻挡放电(DBD)又称无声放电，是一种典型的非平衡态交流气体放电，它通常是由两个平行电极组成，其中至少在一个电极表面覆盖上电介质。介质阻挡放电广泛应用于等离子显示、发光及臭氧合成等诸多工业领域，并有望应用于信息处理、材料的局域生长等方面。介质阻挡放电是产生等离子体光子晶体的一项重要方法。在以往研究中，利用两个平板液体电极介质阻挡放电装置，在几十kHz频率交流外加电压下，通过放电丝的非线性自组织获得了丰富的具有对称性的等离子体光子晶体结构。但是，这类装置仅能产生单一放电气隙下的等离子体光子晶体，仅可在二维平面上观察并研究，具有自身局限性。
发明内容
本发明的目的就是提供一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置及方法，以突破现有装置大多仅有一种放电气隙、仅能得到二维等离子体光子晶体的局限。
本发明是这样实现的：一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置，包括真空反应室、设置在所述真空反应室内的两个水电极以及与所述水电极电连接的等离子体发生电源；水电极采用有机玻璃管、两端用玻璃挡片封住，注满水并内置铜环；等离子体发生电源的两个电极分别通过电源线连接两个铜环；在真空反应室的壁体上开有进气口和出气口；在两个水电极之间设置有三个叠加贴合在一起的固体边框，三个固体边框分别为两侧的第一固体边框和中间的第二固体边框；在两侧的第一固体边框的中心开有第一通孔；在第二固体边框上与所述第一通孔对应的位置处开有若干呈矩阵式排列的第二通孔；第一通孔与第二通孔叠加形成薄厚气隙交错排列的放电区域。
上述方案中，三个固体边框的厚度为1-3mm；优选的，三个固体边框的厚度均为2mm。第一通孔为正方形结构，其边长为30-60mm，优选的，第一通孔的边长为50mm。第二通孔为正方形结构，其边长为2-15mm，优选的，第二通孔的边长为10mm。相邻两个第二通孔中心的间距为2.5-18mm，优选的，相邻两个第二通孔中心的间距为15mm。
上述方案中，在第二固体边框上开有4-49个第二通孔；优选的，在第二固体边框上开有9个第二通孔，形成一个九宫格结构的气隙。至于中间孔径大小，数目的多少，圆心距离，形状均可以根据实际情况进行设计调整。
优选的，三个固体边框的外边框的边长为120mm。
优选的，三个固体边框的外边框的面积大于水电极的横截面积，第一通孔的面积小于水电极的横截面积。
在真空反应室的壁体上设有进气口和出气口，两者通过各自的阀门进行单独控制。
在真空反应室的外面设置有信号采集器，所述信号采集器包括凸透镜和光电倍增管，其与具备四个通道的示波器相连接，进行信号的收集、显示。
本发明还提供了一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生方法，包括如下步骤：
a、设置一真空反应室，并在所述真空反应室内安装两个水电极，同时将所述水电极与等离子体发生电源电连接；
b、在两个水电极之间设置三个叠加贴合在一起的固体边框，三个固体边框分别为两侧的第一固体边框和中间的第二固体边框；在两侧的第一固体边框的中心开有第一通孔；在第二固体边框上与所述第一通孔对应的位置处开有若干呈矩阵式排列的第二通孔；第一通孔与第二通孔叠加形成薄厚气隙交错排列的放电区域；
c、调节等离子体发生电源的电压及频率，在两个水电极之间的放电区域内形成周期性排布的哑铃结构三维等离子体光子晶体。在真空反应室外通过示波器进行信号采集，则可测量等离子体光子晶体的参量。在三个方向上观测到不同的，周期性排列的等离子体光子晶体。
需要说明的是，由于气隙是叠加形成，而非一个整体，所以彼此之间可能存在微弱的间隙，造成等离子体光子晶体在边界部位轻微的失稳或者错位。固体边框均为透明且耐温的石英玻璃。
优选的，步骤c中，调节等离子体发生电源的电压为4.6kV，频率为53kHz。
优选的，在所述真空反应室内注有空气和氩气的混合气体；该混合气体中氩气的体积含量为16.2％。
优选的，调节真空反应室内气压为33.44kP。
本发明的装置通过薄厚气隙叠加，呈现侧面凸形，可产生三维光子晶体。所述装置包括在一个可以调节氩气和空气比列的反应室中，放入利用玻璃密封，充满液态水所组成的水电极，通过铜环与等离子体发生电源相连接。在两个水电极中间叠加放入三个均为正方形的固体边框，其中三个固体边框几何中心彼此重合，左右两侧固体边框内部切割完全等大的正方形，中间切割形成九个彼此完全等大的小正方形，形成类似九宫格的气隙。三个固体边框依照三明治的方式彼此叠加，在侧面形成凸形槽，一种特制的薄厚气隙被形成。本发明首次实现了叠加形成凸形气隙产生哑铃状结构的三维等离子体光子晶体。
本发明的装置产生的等离子光子晶体具有三层放电气隙，达到可以同时测量同一个条件下不同放电气隙下的等离子光子晶体的参量，并且在三个维度上观察到不同结构的光子晶体，还可以通过改变气隙厚度、形状、圆心距、气隙大小、叠加方式等得到更多不同参量下的等离子体光子晶体。本发明首次实现了在薄厚气隙交错排列的放电区域内形成了三维等离子体光子晶体。
附图说明
图1是本发明中装置的结构示意图。
图2是本发明实施例所形成的三维等离子体光子晶体的照片图。
图3是本发明实施例中薄气隙层的放电结构示意图。
图4是本发明实施例中厚气隙层的放电结构示意图。
图5是本发明实施例中薄厚气隙叠加后的放电结构示意图。
图6是图5中一个单元格的放电结构示意图。
图7是本发明实施例中一个周期内的放电结构示意图。
其中：1、真空反应室；2、水电极；3、玻璃挡片；4、铜环；5、等离子体发生电源；6、第二固体边框；7、进气口；8、第一固体边框；9、出气口。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置包括真空反应室1、水电极2、等离子体发生电源5、两个第一固体边框8以及一个第二固体边框6。
真空反应室1用于在其内部通过调节气压和混合气体(空气和氩气的混合气体)的占比产生等离子体光子晶体。真空反应室1是一个横置的圆筒形结构，真空反应室1左右两侧用透明的介质板作为观察窗进行密闭。在真空反应室1中对称设置两个水电极2，水电极2采用有机玻璃管、两端用玻璃挡片3封住，注满水并内置铜环4，使等离子体发生电源5的两个电极分别通过电源线连接两个铜环4。在真空反应室1的壁体上开有进气口7和出气口9。进气口7与氩气室相连接，出气口9处设置有一气阀。
第一固体边框8和第二固体边框6设置在两个水电极2之间，具体是：两个第一固体边框8分别位于左右两侧，第二固体边框6位于两个第一固体边框8之间，三个固体边框叠加贴合(图1为了方便观察使得三者相互分离)在一起。三个固体边框的外边框尺寸相同，均是120mm*120mm的正方形，且三者的厚度均为2mm。左右两侧的第一固体边框8分别与两个水电极2的玻璃挡片3相贴合，且三个固体边框的中心与水电极2的玻璃挡片3的中心重合。三个固体边框的外边框的尺寸与玻璃挡片3的尺寸相当。
在左右两侧的第一固体边框8的中心开有50mm*50mm的正方形通孔，在中间的第二固体边框6上与第一固体边框8中心50mm*50mm的通孔相对应的位置处开有9个正方形的小通孔，这9个小通孔呈3排3列的排布方式，形成一个九宫格形式，每个小通孔的尺寸为10mm*10mm，相邻小通孔径向之间的边线距离为5mm，相邻小通孔中心的距离为15mm。
将第一固体边框8中心的50mm*50mm的正方形通孔称为第一通孔，将第二固体边框6上10mm*10mm的正方形通孔称为第二通孔。第一通孔以及九宫格式的第二通孔叠加形成两个水电极2之间的放电区域。本发明中，两个水电极2之间的放电区域的面积小于正对的水电极2横截面积，而三个固体边框的外边框的面积要大于正对的水电极2的横截面积，以便于形成稳定的等离子体光子晶体。
由于三个固体边框的厚度均为2mm，因此，由两个第一固体边框8上的第一通孔和中间第二固体边框6中心九宫格式的第二通孔叠加所形成的放电区域，其中有薄气隙，也有厚气隙。薄气隙指两个第一固体边框8上厚度为2mm的薄气隙，两侧的薄气隙中间间隔2mm厚的固体边框；厚气隙指贯穿三个固体边框的厚度为6mm的厚气隙。
通过抽气泵改变真空反应室1中的气压，通过进气口7向真空反应室1内通入适量氩气，调节空气和氩气的占比，使氩气含量为16.2％，并使混合气体混合均匀进行真空反应室1内。此时，调节真空反应室1内气压为33.44kP。打开等离子体发生电源1的开关，调节电压为4.6kV，频率为53kHz，通过示波器记录相关参量，最终在放电区域的薄厚气隙中形成周期性排布的三维等离子体光子晶体，如图2所示。
图3示出了薄气隙层的放电结构示意图。由图3可以看出，在两侧的薄气隙处形成了小的柱状放电丝，且两侧的放电丝中间分离。图4示出了厚气隙层的放电结构示意图。由图4可以看出，在贯穿三个固体边框的9个6mm厚的气隙处形成了较粗一点的放电丝。图5示出了薄厚气隙放电的叠加结构示意图，由图5可以看出，所形成的等离子体光子晶体类似哑铃结构。图6示出了图5中其中一个单元格的放电结构示意图，更方便观察。
本发明所产生的三维等离子体光子晶体，在不同位置处所形成的放电丝的时间是不同的。如图7所示，图7示出了一个周期内的放电示意图。由图7可以看出，放电丝首先产生在薄气隙中顶角处，如图7(a)所示；其次在厚气隙中产生如图7(b)所示的放电丝；接着在薄气隙的边框上产生如图7(c)所示的放电丝；最后在厚气隙中出现晕状的放电丝，如图7(d)所示。图7(e)为整个放电过程结束后，所有放电丝叠加在一起的结构示意图。
Claims (9)
1.一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置，包括真空反应室、设置在所述真空反应室内的两个水电极以及与所述水电极电连接的等离子体发生电源；水电极采用有机玻璃管、两端用玻璃挡片封住，注满水并内置铜环；等离子体发生电源的两个电极分别通过电源线连接两个铜环；在真空反应室的壁体上开有进气口和出气口；其特征是，在两个水电极之间设置有三个叠加贴合在一起的固体边框，三个固体边框分别为两侧的第一固体边框和中间的第二固体边框；在两侧的第一固体边框的中心开有第一通孔；在第二固体边框上与所述第一通孔对应的位置处开有若干呈矩阵式排列的第二通孔；第一通孔与第二通孔叠加形成薄厚气隙交错排列的放电区域。
2.根据权利要求1所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置，其特征是，三个固体边框的厚度均为2mm；第一通孔的边长为50mm，第二通孔的边长为10mm；相邻两个第二通孔之间的间距为5mm。
3.根据权利要求2所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置，其特征是，在第二固体边框上开有9个第二通孔。
4.根据权利要求1所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置，其特征是，三个固体边框的外边框的边长为120mm。
5.根据权利要求4所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生装置，其特征是，三个固体边框的外边框的面积大于水电极的横截面积，第一通孔的面积小于水电极的横截面积。
6.一种哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生方法，其特征是，包括如下步骤：
a、设置一真空反应室，并在所述真空反应室内安装两个水电极，同时将所述水电极与等离子体发生电源电连接；
b、在两个水电极之间设置三个叠加贴合在一起的固体边框，三个固体边框分别为两侧的第一固体边框和中间的第二固体边框；在两侧的第一固体边框的中心开有第一通孔；在第二固体边框上与所述第一通孔对应的位置处开有若干呈矩阵式排列的第二通孔；第一通孔与第二通孔叠加形成薄厚气隙交错排列的放电区域；
c、调节等离子体发生电源的电压及频率，在两个水电极之间的放电区域内形成周期性排布的哑铃结构三维等离子体光子晶体。
7.根据权利要求6所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生方法，其特征是，步骤c中，调节等离子体发生电源的电压为4.6kV，频率为53kHz。
8.根据权利要求6所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生方法，其特征是，在所述真空反应室内注有空气和氩气的混合气体；该混合气体中氩气的体积含量为16.2％。
9.根据权利要求8所述的哑铃结构三维等离子体光子晶体的产生方法，其特征是，调节真空反应室内气压为33.44kP。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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